DE19802402A1 - Solid state switch - Google Patents

Solid state switch

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Abstract

The switch is controlled by a thermovoltaic generator and has a silicon substrate (S), a metal-oxide-semiconductor field effect transistor) MOSFET, a thermally insulating region, a thin film heating resistance (r) and a thermal column (h,c). An input voltage is applied to the heating resistance to set up a temperature difference across the thermal column to activate the MOSFET. Removing the input voltage switches off the MOSFET.

Description

Die Erfindung betrifft Festkörperschalter, wie sie derzeit in großem Umfang auf verschiedenen Gebieten in der Industrie angewandt werden.The invention relates to solid-state switches, as they are currently to a large extent in various fields in industry be applied.

Derartige Festkörperelemente haben Vorteile wie fehlende me­ chanische Kontakte, wodurch Funkenbildung fehlt und schnel­ les Triggern möglich ist, und wenn derartige Elemente zum Ein- und Ausschalten von Systemen hoher Leistung verwendet werden, sind sie sicher und beständig. Heutzutage sind sie für moderne elektrische Leistungsregelung unabdingbar. Unter derartigen Elementen sind die derzeit am häufigsten verwen­ deten der gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCR = Silicon Controlled Rectifier) und der TRIAC, der durch antiparalle­ les Verbinden zweier SCRs erhalten wird. Such solid-state elements have advantages such as the lack of me Chan contacts, which means that sparking is lacking and fast Les triggering is possible, and if such elements for Power on and off systems used they are safe and stable. Nowadays they are indispensable for modern electrical power control. Under such elements are currently the most commonly used the controlled silicon rectifier (SCR = Silicon Controlled Rectifier) and the TRIAC by antiparall les connecting two SCRs is obtained.  

Wenn ein SCR zum Triggern eines großen Stroms verwendet wird, bestehen die folgenden Nachteile: (1) die Transimpe­ danz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß eines SCR ist klein, weswegen die zwei Anschlüsse nicht voneinan­ der isoliert sind; wenn am Ausgang eine hohe Spannung auf­ tritt, ist es wahrscheinlich, daß im Eingangsschaltkreis ein Durchschlag auftreten kann; (2) jedes SCR-Element weist nach dem Triggern den Latch-up-Effekt auf, und wenn ein SCR einmal in den leitenden Zustand getriggert ist, wird dieser nicht beendet, bevor nicht die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode auf Null geschaltet wird, oder so­ lange nicht ein Umkehrstrom am Gate eingegeben wird. Dies sind Unterschiede zu einem herkömmlichen mechanischen Schal­ ter mit hoher Transimpedanz, d. h., daß die elektrische Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang vollständig ist und daß der Latch-up-Effekt fehlt. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei der Verwendung eines SCR von Natur aus Nachteile bestehen.When an SCR is used to trigger a large current there are the following disadvantages: (1) the transimp between the input and the output connection of a SCR is small, which is why the two connectors are not apart who are isolated; if there is a high voltage at the output occurs, it is likely that in the input circuit a breakdown can occur; (2) each SCR element has after triggering the latch-up effect and if an SCR Once triggered, it becomes conductive not ended before the potential difference between the anode and the cathode are switched to zero or so unless a reverse current is entered at the gate. This are differences from a conventional mechanical scarf ter with high transimpedance, d. that is, the electrical Isolation between the entrance and the exit completely and that the latch-up effect is missing. From the above it follows that when using an SCR by nature Disadvantages exist.

Um die Funktionen eines herkömmlichen mechanischen Schalters zu erzielen, ohne die Vorteile der Kontaktfreiheit und der fehlenden Funkenbildung zu verlieren, existiert ein anderer, neuer Typ von Festkörperschaltern, wie sie in den letzten Jahren zunehmend verwendet werden. Dabei wird das elektri­ sche Ansteuern des Bauteils durch Anreicherungs-MOS-Transi­ storen, die normalerweise ausgeschaltet sind, mit hoher Spannung und hoher Leistung erzielt. Da ein MOS-Transistor ein zweiseitiges Bauteil mit sehr hoher Eingangsimpedanz am Eingangsgate ist, verhält er sich ähnlich wie ein herkömm­ licher mechanischer Schalter. Wenn das Bauteil einschaltend angesteuert wird, muß nur eine Schwellenspannung an das Gate angelegt werden. Bei einem MOS-Leistungstransistor be­ trägt die Schwellenspannung ungefähr 3 V, und da ein MOS- Transistor eine sehr große Eingangsimpedanz aufweist, sind sowohl der erforderliche Strom als auch die Leistung zum An­ steuern dieses Elements klein. Ein MOS-Transistor kann ein­ schaltend dadurch angesteuert werden, daß sein Gatekonden­ sator geladen wird, dessen Kapazität sehr klein ist; wenn die externe Ansteuerspannung weggenommen wird, nimmt die Gate-Streuladung aufgrund einer gewissen Leckschleife all­ mählich ab, und der MOS-Transistor schaltet aus, wenn die Spannung unter die Schwellenspannung fällt. Außerdem kann ein MOS-Transistor, da er ein zweiseitiges Element ist, dazu verwendet werden, eine Wechselspannung bei geeignetem Design zu steuern. Auf diese Weise verhält er sich ähnlich wie ein mechanischer Schalter.To the functions of a conventional mechanical switch to achieve without the advantages of the freedom of contact and the to lose the missing spark, there is another new type of solid-state switches, as in the last Years are increasingly used. The electri control of the component by enrichment MOS transi faults that are normally switched off with high Achieved excitement and high performance. Because a MOS transistor a two-sided component with a very high input impedance on Input gate, it behaves similar to a conventional one Mechanical switch. When the component turns on is controlled, only a threshold voltage to the Gate can be created. In a MOS power transistor the threshold voltage carries about 3 V, and since a MOS Transistor has a very large input impedance  both the required current and the power to start control this element small. A MOS transistor can be a switching can be controlled by the fact that its gate probes sator is loaded, the capacity of which is very small; if the external control voltage is removed, the Scattered gate charge due to a certain leakage loop all gradually turns off, and the MOS transistor turns off when the Voltage drops below the threshold voltage. Besides, can a MOS transistor since it is a two-sided element be used, an AC voltage with a suitable design to control. In this way it behaves much like a mechanical switch.

Um für einen MOS-Leistungstransistor den getriggerten Lei­ tungszustand zu erreichen, muß eine Schaltung vorhanden sein, die ausreichendes Potential über dem Schwellenwert er­ zeugt, das zwischen dem Gate und der Source angelegt wird. Ferner muß sehr gute elektrische Isolierung zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß existieren, da­ mit die obengenannten Nachteile eines SCR vermieden werden können. Derzeit ist es üblich, den "photovoltaischen Effekt" einer Dioden-Photozelle zu verwenden, wie es in Fig. 1 dar­ gestellt ist. In Fig. 1 liegen mehrere Siliziumphotodioden in Reihe vor dem Gate G eines MOS-Leistungstransistors Q, die durch eine Lichtemissionsdiode LED beleuchtet werden, wodurch eine Photospannung erzeugt wird. Im allgemeinen be­ trägt die durch eine Siliziumdiode erzeugte Photospannung ungefähr 0,3-0,6 V, so daß eine Konstruktion mit zehn in Reihe geschalteten Siliziumdioden eine Spannung über der Schwellenspannung (ungefähr 3 V) eines MOS-Leistungstransis­ tors erzeugen kann, wodurch dieser eingeschaltet werden kann. Der "photovoltaische-Generator" (PVG)-Schalter vom Typ mit derartiger photoelektrischer Kopplung ist einem Opto­ koppler oder einem Optoisolator, wie bei der Kommunikations­ elektronik verwendet, ähnlich. Da zwischen der Lichtemissi­ onsdiode und den Siliziumdioden keine Schaltungsverbindung existiert, weist ein PVG-Schalter eine sehr hohe Transimpe­ danz auf. Dieser Typ eines photovoltaischen Generator-Schal­ ters kann eine Ausgangslast mit sehr hoher Spannung und ho­ hem Strom am Ausgangsende des MOS-Transistors unter Verwen­ dung kleiner Lichtleistung seitens der Lichtemissionsdiode ansteuern, was zu keinem elektrischen Durchbruch auf der Eingangsseite führt. Es handelt sich um einen neuen und her­ vorragenden elektronischen Festkörperschalter, wie man ihn in den Produktkatalogen vieler Firmen finden kann.In order to achieve the triggered line state for a MOS power transistor, a circuit must be present which generates sufficient potential above the threshold value which is applied between the gate and the source. Furthermore, very good electrical insulation must exist between the input connection and the output connection, since the disadvantages of an SCR mentioned above can be avoided. It is currently common to use the "photovoltaic effect" of a diode photocell, as shown in FIG. 1. In Fig. 1, a plurality of silicon photodiodes are in series in front of the gate G of a MOS power transistor Q, which are illuminated by a light-emitting diode LED, whereby a photo voltage is generated. In general, the photo voltage generated by a silicon diode is about 0.3-0.6 V, so that a construction with ten series connected silicon diodes can generate a voltage above the threshold voltage (about 3 V) of a MOS power transistor, thereby making it can be switched on. The "photovoltaic generator" (PVG) switch of the type with such a photoelectric coupling is an opto-coupler or an opto-isolator, as used in communication electronics, similar. Since there is no circuit connection between the light emitting diode and the silicon diodes, a PVG switch has a very high transimpedance. This type of photovoltaic generator switch can drive an output load with very high voltage and high current at the output end of the MOS transistor using small light output from the light emitting diode, which does not lead to electrical breakdown on the input side. It is a new and excellent electronic solid-state switch, as can be found in the product catalogs of many companies.

Wenn jedoch dieser Typ eines durch einen photovoltaischen Generator angesteuerten MOS-Leistungsschalters am Anfang seines Ausschaltvorgangs steht, d. h., wenn das Licht der LED abgeschaltet wird, existiert eine im Gatekondensator CG (≈ 220 pF) gespeicherte parasitäre Ladung des MOS-Leistungs­ transistors, die auslecken muß, damit der Transistor ab­ schalten kann. Da sich die Diode dann jedoch unter hoher Im­ pedanz bei negativer Vorspannung befindet, kann die Ladung nicht leicht auslecken. Daher kann der MOS-Transistor nicht momentan reagieren und abschalten. Bei einem elektrischen Schalter ist eine derartige Abschaltverzögerung sehr uner­ wünscht, wenn sie so lang ist, daß sie den Schaltvorgang beeinträchtigen kann. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist Schaltkreis unabdingbar, der zwischen dem Gate und dem Ausgang der Photozelle des aktuellen MOS-Schalters mit pho­ tovoltaischem Generator für einen Entladungspfad sorgt, wie es durch den Block S in Fig. 2 dargestellt ist. Das Vorhan­ densein eines derartigen Schaltkreises führt nicht zu einer Zunahme der Gesamtkosten aufgrund erhöhter Chipfläche und eines komplizierteren Prozesses, sondern auch zu erhöhtem Bedarf an zu erzeugender photovoltaischer Leistung, was be­ deutet, daß die Anzahl von Lichtemissionsdioden erhöht wer­ den muß oder die Chipfläche der Photozellen vergrößert wer­ den muß, um die zusätzliche Leistung zu liefern, was erneut einer Kostenzunahme führt. Ferner ist es schwierig, dafür sorgen, daß das Licht einer LED die Oberflächen der Pho­ tozellen gleichmäßig beleuchtet.However, if this type of a MOS power switch controlled by a photovoltaic generator is at the beginning of its switch-off process, that is to say when the light of the LED is switched off, there is a parasitic charge of the MOS power transistor stored in the gate capacitor C G (≈ 220 pF) must leak so that the transistor can switch off. However, since the diode is then under high impedance with negative bias, the charge cannot leak easily. Therefore, the MOS transistor cannot respond and turn off at the moment. In the case of an electrical switch, such a switch-off delay is very undesirable if it is so long that it can impair the switching process. In order to overcome this disadvantage, a circuit is indispensable which ensures a discharge path between the gate and the output of the photocell of the current MOS switch with photovoltaic generator, as represented by block S in FIG. 2. The existence of such a circuit does not lead to an increase in the total cost due to increased chip area and a more complicated process, but also to an increased need for photovoltaic power to be generated, which means that the number of light emitting diodes has to be increased or the chip area of the photocells who must be enlarged to deliver the additional power, which again leads to an increase in costs. Furthermore, it is difficult to ensure that the light of an LED illuminates the surfaces of the photocells evenly.

Außerdem ist, betreffend die Gehäusestruktur eines Festkör­ perschalters mit photovoltaischem Generator, wie es in Fig. 3A dargestellt ist, da die Lichtemissionsdiode und die Pho­ tozelle einander zugewandt sein müssen, damit direkte opti­ sche Kopplung möglich ist, die Gehäusestruktur komplizierter als die planare Gehäusestruktur eines gewöhnlichen IC, wie in Fig. 3B dargestellt, weswegen die Gehäusekosten beträcht­ lich höher sind. Außerdem muß das Epoxid des Gehäuses zwi­ schen den zwei Elementen bei der Wellenlänge des LED-Lichts transparent sein, andernfalls es kaum zu Lichtkopplung käme. Hinsichtlich des aktuellen Epoxidmaterials, wie es für IC- Gehäuse verwendet wird, muß als Lichtquelle eine Infrarot- LED verwendet werden, die Licht bei einer Wellenlänge um 900 nm herum emittiert, damit das Licht durch das Epoxidma­ terial strahlen kann, um die Kopplung zu erzielen. Eine Si­ liziumphotozelle, die ziemlich billig ist, weist in diesem spektralen Abschnitt höheren photoelektrischen Wandlungswir­ kungsgrad auf.In addition, regarding the housing structure of a solid-state switch with a photovoltaic generator, as shown in FIG. 3A, since the light-emitting diode and the photocell must face each other so that direct optical coupling is possible, the housing structure is more complicated than the planar housing structure ordinary IC as shown in Fig. 3B, which is why the package cost is considerably higher. In addition, the epoxy of the housing between the two elements must be transparent at the wavelength of the LED light, otherwise there would hardly be any light coupling. With regard to the current epoxy material, as used for IC packages, an infrared LED must be used as the light source, which emits light at a wavelength around 900 nm, so that the light can shine through the epoxy material to achieve the coupling . A silicon photocell, which is fairly cheap, has higher photoelectric conversion efficiency in this spectral section.

Die Verwendung einer Ein-Chip-Siliziumphotozelle hat die folgenden Nachteile. Da Silizium-Photodioden, wie sie bei einem Schalter mit photovoltaischem Generator verwendet wer­ den, in Reihe geschaltet werden müssen, um eine ausreichende photovoltaische Spannung zum Ansteuern eines MOS-Leistungs­ transistors zu erzeugen, bestehen Schwierigkeiten, wenn die Elemente auf einem Siliziumchip ausgebildet werden, wie dies im folgenden erläutert wird: (1) es muß sehr hohe elektri­ sche Isolierung zwischen benachbarten Dioden bestehen, damit die Reihenschaltung stattfindet; andernfalls kommt es zu Lecks und induzierter Spannung, und der Strom nimmt ab; (2) die Absorptionslänge einkristallinen Siliziums ist bei der Wellenlänge von 900 nm ziemlich groß, weswegen die Photodio­ den auf dem Siliziumchip tiefe Übergänge aufweisen müssen, damit der photoelektrische Wandlungswirkungsgrad auf ein vernünftiges Niveau erhöht werden kann, was zu noch tieferer Isolierung zwischen benachbarten Elementen führt. Diese tie­ fe Isolierung kann auf normalen Siliziumchips kaum reali­ siert werden. Um diese Aufgabe zu lösen, wird bei vielen Er­ zeugnissen ein Silizium-auf-Isolator (SOI = silicon-on-insu­ lator) verwendet, damit Isolierung zwischen benachbarten Elementen erzielt werden kann, wie dies in Fig. 4 darge­ stellt ist. Jedoch ist ein SOI-Wafer teurer als ein Wafer aus normalem einkristallinem Silizium, und es ist auch der Herstellprozeß bei einem SOI-Chip komplizierter. Außerdem kann die Dicke von Silizium auf der Isolationsschicht nicht stark erhöht werden, andernfalls V-Gräben zu tief wären, als daß sie flach ausgebildet werden könnten, was zu einer Verringerung des Lichtabsorptions-Wirkungsgrads führen wür­ de.The use of a one-chip silicon photo cell has the following disadvantages. Since silicon photodiodes, such as those used in a switch with a photovoltaic generator, must be connected in series in order to generate a sufficient photovoltaic voltage for driving a MOS power transistor, there are difficulties when the elements are formed on a silicon chip, as explained below: (1) there must be very high electrical isolation between adjacent diodes for the series connection to take place; otherwise there will be leaks and induced voltage and the current will decrease; (2) The absorption length of single-crystalline silicon is quite large at the wavelength of 900 nm, which is why the photodio must have the deep transitions on the silicon chip so that the photoelectric conversion efficiency can be increased to a reasonable level, which leads to even deeper insulation between adjacent elements . This deep insulation can hardly be realized on normal silicon chips. In order to solve this problem, a silicon-on-insulator (SOI = silicon-on-insulator) is used in many products so that insulation can be achieved between adjacent elements, as shown in FIG. 4. However, an SOI wafer is more expensive than a normal single crystal silicon wafer, and the manufacturing process of an SOI chip is also more complicated. In addition, the thickness of silicon on the insulation layer cannot be increased greatly, otherwise V-trenches would be too deep to be made flat, which would lead to a reduction in the light absorption efficiency.

Kurz gesagt, sind derzeit zwar MOS-Festkörper-Leistungs­ schalter mit photovoltaischem Generator dem praktischen Ge­ brauch zugeführt, jedoch machen, wie es vorstehend beschrie­ ben ist, die Nachteile in Zusammenhang mit dem verwendeten Material, der Herstellung und der Gehäusestruktur der Ele­ mente insgesamt derartige Festkörperschalter teuer, oder es liegen nicht vernachlässigbare andere Nachteile vor.In short, MOS solid state power is currently used switch with photovoltaic generator the practical Ge supplied, however, do as described above ben is the disadvantages related to the used Material, manufacture and housing structure of the Ele total such solid-state switches expensive, or it there are other non-negligible disadvantages.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ schalter zu schaffen, der auf einem anderen physikalischen Prinzip beruht und die folgenden Vorteile aufweist: kleine Chipfläche, Standard-IC-Herstellprozeß, einfache Gehäuse­ herstellung und geringe Kosten.The invention has for its object a solid to create switches on another physical Principle is based and has the following advantages: small Chip area, standard IC manufacturing process, simple housing manufacture and low cost.

Diese Aufgabe ist durch den Festkörperschalter gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Festkör­ perschalter beruht auf dem physikalischen Effekt thermoelek­ trischer Übertragung, bei dem die Eigenschaft hoher Transim­ pedanz durch thermische Kopplung statt optische Kopplung mittels des photoelektrischen Effekts erzielt wird.This task is performed by the solid-state switch attached claim 1 solved. The solid according to the invention  per switch is based on the physical effect thermoelek trical transmission, in which the property of high transim Pedance through thermal coupling instead of optical coupling is achieved by means of the photoelectric effect.

Ein erfindungsgemäßer Festkörperschalter weist im wesentli­ chen die folgenden Bestandteile auf: ein Siliziumsubstrat, eine Thermofläche, einen Dünnfilm-Heizwiderstand und eine Thermosäule. Die Thermofläche wird dadurch hergestellt, daß eine aufgehängte Membran in einem Teilbereich des Silizium­ substrats durch eine Mikrobearbeitungstechnik ausgebildet wird. Der auf der Thermofläche hergestellte Dünnfilm-Heizwi­ derstand wird als Eingang des Festkörperschalters verwendet. Die aus einer Halbleitermembran bestehende Thermosäule be­ steht aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen, wobei die heißen Übergänge der Thermoelemente innerhalb des Bereichs der Wärmefläche nahe am Dünnfilm-Heizwiderstand angeordnet sind, während die kalten Übergänge der Thermoele­ mente außerhalb des Bereichs der Wärmefläche entfernt von dieser angeordnet sind. Der Ausgang der Thermosäule wird als Ausgang des Festkörperschalters verwendet.A solid-state switch according to the invention essentially has the following ingredients: a silicon substrate, a thermal surface, a thin film heating resistor and one Thermopile. The thermal surface is produced in that a suspended membrane in a part of the silicon substrate formed by a micromachining technique becomes. The thin-film heater produced on the thermal surface the status is used as the input of the solid-state switch. The thermopile consisting of a semiconductor membrane be consists of several thermocouples connected in series, the hot transitions of the thermocouples within the Area of the thermal surface close to the thin film heating resistor are arranged during the cold transitions of the thermo oils elements outside the area of the thermal surface away from these are arranged. The output of the thermopile is called Solid-state switch output used.

Wenn eine Eingangsspannung an den Eingang des Wärmewider­ stands angelegt wird, so daß Joulesche Wärme erzeugt wird, fließt diese Wärme vom Heizwiderstand zum Substratbereich, was eine geeignete Temperaturdifferenz zwischen den heißen und den kalten Übergängen der Thermosäule aufgrund ungleich­ mäßiger Wärmeverteilung erzeugt. So wird am Ausgang der Thermosäule ein thermoelektrisches Potential erzeugt, das mit dem Ausgang der Thermosäule verbundenen MOS-Transis­ tor einschaltet. Andererseits schaltet der Heizwiderstand ab, wenn die an seinen Eingang angelegte Eingangsspannung weggenommen wird, so daß die heißen und kalten Übergänge aufgrund des Wärmegleichgewichts dieselbe Temperatur errei­ chen, so daß das am Ausgang der Thermosäule auftretende thermoelektrische Potential verschwindet, wodurch der MOS- Transistor abgeschaltet wird.When an input voltage to the input of the heat resistor stands is applied so that Joule heat is generated, this heat flows from the heating resistor to the substrate area, what a suitable temperature difference between the hot and the cold transitions of the thermopile due to unequal moderate heat distribution. So at the exit the Thermopile generates a thermoelectric potential that MOS transis connected to the output of the thermopile turns on the gate. On the other hand, the heating resistor switches when the input voltage applied to its input is taken away so that the hot and cold transitions achieve the same temperature due to the thermal balance Chen, so that what occurs at the exit of the thermopile  thermoelectric potential disappears, causing the MOS Transistor is turned off.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzug­ ten, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiele er­ sichtlich. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.Other objects, features and advantages of the invention will be from the following detailed description of the preferred th, but not limiting embodiments visibly. The description is made with reference to the attached drawings.

Fig. 1 ist eine schematische Schaltung eines bekannten, durch einen photovoltaischen Generator angesteuerten Fest­ körperschalters; Fig. 1 is a schematic circuit of a known body switch controlled by a photovoltaic generator;

Fig. 2 veranschaulicht die beim in Fig. 1 dargestellten Schalter verwendete Abschalt-Leckschaltung; Fig. 2 illustrates the shutdown leakage circuit used in the switch shown in Fig. 1;

Fig. 3A zeigt eine dreidimensionale Gehäusestruktur eines bekannten, durch einen photovoltaischen Generator gesteuer­ ten Halbleiterschalters; Fig. 3A shows a three-dimensional structure of a conventional housing, d your by a photovoltaic generator th semiconductor switch;

Fig. 3B zeigt eine planare DIP-Gehäusestruktur eines her­ kömmlichen IC; Fig. 3B shows a planar structure of a DIP package ago conventional IC;

Fig. 4 zeigt einen durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten bekannten Schalter, der auf einem SOI-Chip aus­ gebildet ist; Fig. 4 shows a known switch controlled by a photovoltaic generator, which is formed on an SOI chip;

Fig. 5A-5D zeigen zusammen den Aufbau eines erfindungsge­ mäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalters; Fig. 5A-5D together illustrate the structure of a erfindungsge MAESSEN, controlled by a generator thermovoltaic solid state switch;

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Festkörperschalters, der durch einen thermovoltaischen Generator mit aufgehängter Wärmeflä­ che gesteuert wird; Fig. 6 shows the structure of a solid-state switch, which is controlled by a thermovoltaic generator with a suspended heating surface;

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines Festkörperschalters, der durch einen thermovoltaischen Generator mit nicht aufgehängter Wärmefläche gesteuert wird; Fig. 7 shows the structure of a solid-state switch which is controlled by a thermovoltaic generator with a non-suspended heat surface;

Fig. 8A und 8B zeigen zwei Gehäuse eines Festkörperschalters gemäß Fig. 6, wobei es sich um ein Metallbechergehäuse bzw. DIP-Gehäuse handelt; und Figs. 8A and 8B show two casing of a solid-state switch according to Figure 6, wherein it is a metal cup shell or DIP package. and

Fig. 9 zeigt das Gehäuse eines Festkörperschalters gemäß Fig. 7. FIG. 9 shows the housing of a solid-state switch according to FIG. 7.

Die Fig. 5A-5C zeigen einen erfindungsgemäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter von oben, von der Seite bzw. perspektivisch, und Fig. 5D ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie der MOS-Transistor Q in diesen Figuren durch den thermovoltai­ schen Generator gesteuert wird. In Fig. 5A repräsentiert das Element R einen Dünnfilm-Heizwiderstand, dessen zwei Enden ii' die Eingangsenden des erfindungsgemäßen Festkörperschal­ ters sind. Wenn ein Strom in den Eingang fließt, wird Joule­ sche Wärme erzeugt, und in der Nähe tritt eine örtliche Tem­ peraturerhöhung auf. Dieses elektrische Heizelement liegt innerhalb einer Zone T (Fig. 5A), die einer örtlichen Wärme­ fläche M auf dem Siliziumsubstrat S entspricht (Fig. 5B). Die Wärmefläche M hat den Effekt einer Verstärkung des Tem­ peraturanstiegs. Gemäß Fig. 5 wird die Wärmefläche M unter Verwendung eines anisotropen Rückseiten-Ätzvorgangs gemäß einer Volumen-Mikrobearbeitungstechnik in Form einer aufge­ hängten Membran M (Fig. 5B) ausgebildet, wie dies später de­ taillierter beschrieben wird. Wenn elektrische Wärmeleistung P auf der Wärmefläche M zum Substrat S (Fig. 5B) fließt, dessen Temperatur niedriger ist, wobei wegen des dazwischen existierenden erheblichen Wärmewiderstands diese Temperatur­ differenz entsteht. Außerdem ist in Fig. 5A eine Thermosäule dargestellt, die aus einer Anzahl in Reihe geschalteter Dünnfilm-Thermoelemente besteht, von denen jedes durch zwei Materialien a und b gebildet ist. Die heißen Übergänge h des Thermoelements hängen mit dem obengenannten Heizwiderstand r zusammen und sind in der Zone T der Wärmefläche angeordnet, weswegen ihre Temperatur sehr nahe an der des Heizwider­ stands r liegt. Andererseits sind die kalten Übergänge c des Thermoelements auf dem nicht aufgehängten Substrat S ange­ ordnet, das entfernt von der Zone T der Wärmefläche liegt. Da die kalten Übergänge c unmittelbar an das Siliziumsub­ strat S angrenzen, ist die Wärmeableitung sehr hoch. Daher ist die Temperatur der kalten Übergänge im wesentlichen die­ jenige des Substrats S, also die Raumtemperatur. Aus dieser Konstruktion ist ersichtlich, daß die Wärmeableitung am Substrat S ungleichmäßig ist, nachdem an den Anschlüssen ii' elektrische Leistung zugeführt wurde, wodurch zwischen jedem Paar aus einem kalten und einem heißen Übergang eine vorbe­ stimmte Temperaturdifferenz erzeugt wird. Diese Temperatur­ differenzen führen insgesamt zu einer aufsummierten thermo­ elektrischen Spannung zwischen den Ausgängen oo' des Thermo­ elements. Wie es in Fig. 5D dargestellt ist, wird das Poten­ tial an das Gate und den Drain (Masse) des MOS-Leistungs­ transistors Q angelegt, wodurch dieser eingeschaltet werden kann, ähnlich wie beim obengenannten Festkörperschalter, der durch einen photovoltaischen Generator gesteuert wird. Je­ doch ist zu beachten, daß diese zwei Schalter hinsichtlich der physikalischen Grundlage und der Technik der Erzeugung der Potentialdifferenz völlig verschieden sind, da der eine Licht als Kopplungsmedium verwendet, der andere dagegen Wär­ me. Wenn die elektrische Eingangsleistung weggenommen wird, beginnt die Temperatur der Wärmefläche zu sinken, und sie stimmt bald mit der der kalten Übergänge, also der Raumtem­ peratur, überein. Inzwischen verschwindet die thermoelektri­ sche Spannung gleichzeitig, und der MOS-Transistor Q, der normalerweise ausgeschaltet ist, kehrt in den "AUS"-Zustand zurück. D. h., daß die Aktivierungsenergie, die dazu erfor­ derlich ist, den MOS-Transistor auf EIN oder AUS zu schal­ ten, durch thermoelektrische Kopplung mittels thermoelektri­ scher Effekte durch Joulesche Wärme erzeugt wird. Als elek­ tronischer Festkörper-Leistungsschalter liegen die folgenden Vorteile vor:
 FIGS. 5A-5C show a solid-state switch according to the invention, controlled by a thermovoltaic generator, from above, from the side or in perspective, and FIG. 5D is a schematic diagram which illustrates how the MOS transistor Q in these figures is controlled by the thermovoltaic the generator is controlled. In Fig. 5A, the element R represents a thin film heating resistor, the two ends ii 'of which are the input ends of the solid-state switch according to the invention. When a current flows into the entrance, Joule heat is generated and a local temperature increase occurs nearby. This electrical heating element lies within a zone T ( FIG. 5A), which corresponds to a local heat surface M on the silicon substrate S ( FIG. 5B). The thermal surface M has the effect of increasing the temperature rise. Referring to FIG. 5, the heat surface is M using an anisotropic back-etching of a bulk micro-machining technique in the form of a suspended membrane M (Fig. 5B) formed in accordance with, as will be described later de fitted. When electrical heat output P flows on the heating surface M to the substrate S ( FIG. 5B), the temperature of which is lower, this temperature difference arising because of the considerable thermal resistance that exists between them. Also shown in FIG. 5A is a thermopile consisting of a number of thin film thermocouples connected in series, each of which is formed by two materials a and b. The hot transitions h of the thermocouple are related to the above-mentioned heating resistor r and are arranged in the zone T of the heating surface, which is why their temperature is very close to that of the heating resistor r. On the other hand, the cold transitions c of the thermocouple are arranged on the non-suspended substrate S, which is distant from the zone T of the thermal surface. Since the cold transitions c directly adjoin the silicon substrate S, the heat dissipation is very high. The temperature of the cold transitions is therefore essentially that of the substrate S, that is to say the room temperature. From this construction, it can be seen that the heat dissipation on the substrate S is uneven after the electric power has been supplied to the terminals ii ', whereby a predetermined temperature difference is generated between each pair of a cold and a hot transition. Overall, these temperature differences lead to an accumulated thermoelectric voltage between the outputs oo 'of the thermocouple. As shown in Fig. 5D, the potential is applied to the gate and the drain (ground) of the MOS power transistor Q, whereby it can be turned on, similar to the aforementioned solid-state switch, which is controlled by a photovoltaic generator. However, it should be noted that these two switches are completely different in terms of the physical basis and the technique for generating the potential difference, since one uses light as the coupling medium, the other, however, heat. When the electrical input power is removed, the temperature of the heating surface begins to drop and soon matches that of the cold transitions, i.e. the room temperature. Meanwhile, the thermoelectric voltage disappears simultaneously, and the MOS transistor Q, which is normally turned off, returns to the "OFF" state. That is, the activation energy required to turn the MOS transistor ON or OFF is generated by thermoelectric coupling by means of thermoelectric effects by Joule heat. The advantages of an electronic solid-state circuit breaker are as follows:

  • (1) da der Heizwiderstand r und das Thermoelement durch ein Material mit guter elektrischer Isolierung, wie Siliziumdi­ oxid oder Siliziumnitrid, gegeneinander isoliert sind, exis­ tiert keine direkte elektrische Kopplung oder Verbindung zwischen ihnen. Daher weist der erfindungsgemäße Festkörper­ schalter extrem hohe Transimpedanz auf, die dieselbe wie bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter ist;(1) since the heating resistor r and the thermocouple by one Material with good electrical insulation, such as silicon di oxide or silicon nitride, isolated from each other, exis no direct electrical coupling or connection between them. Therefore, the solid body according to the invention switch extremely high transimpedance, the same as in one controlled by a photovoltaic generator Solid state switch is;
  • (2) das Thermoelement ist ein aus Widerstandsmaterial herge­ stelltes Dünnfilmelement, und obwohl der Reihenwiderstand bei bestimmten praktischen Anwendungen bis zu 100 kΩ errei­ chen kann, ist er klein im Vergleich mit der Impedanz einer Photodiode in Sperrichtung (im allgemeinen bis zu mehr als 1012). Wenn angenommen wird, daß der Gatekondensator CG eines typischen MOS-Hochleistungstransistors herkömmlicher­ weise höchstens 150 pF beträgt, übersteigt die Lade/Entlade- Zeitkonstante des erzeugten RC-Kreises den Bereich einiger 10 Mikrosekunden nicht. Demgemäß wird die Ladung des Gate­ kondensators des erfindungsgemäßen Festkörperschalters sehr schnell entladen.(2) the thermocouple is a thin film element made of resistive material, and although the series resistance can reach up to 100 kΩ in certain practical applications, it is small compared to the reverse impedance of a photodiode (generally up to more than 10 12 ). Assuming that the gate capacitor C G of a typical high performance MOS transistor is conventionally 150 pF or less, the charge / discharge time constant of the generated RC circuit does not exceed the range of a few tens of microseconds. Accordingly, the charge of the gate capacitor of the solid-state switch according to the invention is discharged very quickly.

Daraus sind die folgenden Tatsachen erkennbar: (1) ein Leck­ schaltkreis, wie er bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter erforderlich ist, ist beim erfindungsgemäßen Festkörperschalter nicht mehr er­ forderlich, weswegen sowohl die Leistung zum Steuern des Schalters als auch die erforderliche Chipfläche verringert werden kann; (2) der Herstellprozeß, der vollständig durch Standard-Siliziumhalbleiter-Technologie realisiert werden kann, ist einfacher. Demgemäß bestehen bei einem erfindungs­ gemäßen Festkörperschalter gegenüber einem durch einen pho­ tovoltaischen Generator gesteuerten Schalter Verbesserungen sowohl hinsichtlich der Funktion als auch der Kosten.The following facts can be seen from this: (1) a leak circuit, as in one through a photovoltaic Generator controlled solid state switch is required is no longer in the solid-state switch according to the invention required, which is why both the power to control the Switch and the required chip area reduced can be; (2) the manufacturing process, which is completely through Standard silicon semiconductor technology can be realized can is easier. Accordingly exist in a fiction  solid-state switch compared to one by a pho tovoltaic generator controlled switch improvements both in terms of function and cost.

In der Praxis wird die Einschalt/Ausschalt-Geschwindigkeit eines erfindungsgemäßen Festkörperschalters durch die ther­ mische Zeitkonstante des Temperaturanstiegs/-abfalls dieses Schalters dominiert. Diese thermische Zeitkonstante ist durch das Produkt H.Z bestimmt, wobei H die Wärmekapazität der Wärmefläche des Schalters repräsentiert und Z den Wärme­ widerstand des Wärmepfads repräsentiert, der von der Wärme­ fläche zum Substrat führt. Die Wärmefläche kann durch IC- Herstelltechnologie sehr klein, im Bereich von einigen Mil­ limetern, ausgebildet werden, so daß ihre Wärmekapazität sehr klein ist. Bei geeignetem Design der Struktur der Wär­ mefläche kann die thermische Zeitkonstante im Bereich von 0,1-1 Millisekunden oder noch kleiner liegen. Daher weist der erfindungsgemäße Festkörperschalter eine Einschalt/Aus­ schalt-Geschwindigkeit auf, die höher ist als die herkömm­ licher mechanischer Schalter (ungefähr 1,25 Millisekunden). Außerdem steht diese Geschwindigkeit derjenigen eines durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Schalters nicht nach, was nahelegt, daß die Erfindung hohen praktischen Wert zeigt.In practice, the on / off speed a solid-state switch according to the invention by the ther mix time constant of temperature rise / fall this Switch dominates. This thermal time constant is determined by the product H.Z, where H is the heat capacity represents the heat surface of the switch and Z represents the heat resistance of the heat path represents that of the heat surface leads to the substrate. The heating surface can be Manufacturing technology very small, in the range of a few mil limimeters, are trained so that their heat capacity is very small. With a suitable design of the structure of the heat the thermal time constant can be in the range of 0.1-1 milliseconds or less. Therefore points the solid-state switch according to the invention an on / off switching speed that is higher than conventional Mechanical switch (approximately 1.25 milliseconds). In addition, this speed is one of those a switch controlled by a photovoltaic generator according to what suggests that the invention is highly practical Value shows.

Wie beschrieben, sind, da der Eingangswiderstand des MOS- Transistors sehr hoch ist, der Strom und die Leistung, wie sie zum Einschalten des MOS-Transistors erforderlich sind, sehr klein. Betreffend die thermoelektrische Spannung, die das Thermoelement erzeugen muß, um den MOS-Leistungstran­ sistor anzusteuern, kann folgendes angegeben werden:
As described, since the input resistance of the MOS transistor is very high, the current and power required to turn the MOS transistor on are very small. Regarding the thermoelectric voltage that the thermocouple must generate in order to drive the MOS power transistor, the following can be specified:

emf = αab.N.ΔT = m.Vth (1),
emf = α from .N.ΔT = mV th (1),

wobei
emf das von der Thermosäule erzeugte thermoelektrische Potential ist;
αab als Differenz des Seebeckkoeffizienten (oder als thermoelektrische Leistung) zwischen den zwei Materialien a (αa) und b (αb) definiert ist, die zusammen ein Thermoele­ ment bilden;
N die Anzahl der Thermoelemente der Thermosäule ist;
ΔT die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den kalten und heißen Übergängen ist;
Vth die Schwellenspannung des MOS-Anreicherungstransi­ stors ist;
m ein Sicherheitskoeffizient ist, der etwas größer als 1 sein sollte.in which
emf is the thermoelectric potential generated by the thermopile;
α ab is defined as the difference in Seebeck coefficient (or as thermoelectric power) between the two materials a (α a ) and b (α b ), which together form a thermocouple element;
N is the number of thermocouples in the thermopile;
ΔT is the mean temperature difference between the cold and hot transitions;
V th is the threshold voltage of the MOS enhancement transistor;
m is a safety coefficient that should be slightly greater than 1.

Gemäß dem Fouriergesetz wird der Temperaturanstieg in bezug auf die Substrattemperatur oder die Umgebungstemperatur wie folgt ausgedrückt:
According to the Fourier law, the temperature rise in relation to the substrate temperature or the ambient temperature is expressed as follows:

ΔT = P.RT = i2.r.RT = i.V.RT (2),
ΔT = PR T = i 2 .rR T = iVR T (2),

wobei
r den Widerstand des Jouleschen Heizwiderstands am Ein­ gang repräsentiert;
P, i und V die elektrische Leistung, den Strom bzw. die Spannung am Eingang repräsentieren;
RT den Wärmewiderstand (°C/W) vom Heizwiderstand zum Substrat repräsentiert.in which
r represents the resistance of the Joule heating resistor at the input;
P, i and V represent the electrical power, current and voltage at the input;
R T represents the thermal resistance (° C / W) from the heating resistor to the substrate.

Gemäß den Gleichungen (1) + (2) beträgt die erforderliche Anzahl von Thermoelementen:
According to equations (1) + (2), the required number of thermocouples is:

N = m.Vth/αab.ΔT = m.Vth/αab.i2.rRT = m.Vth/αab.i.V.RT (3).N = mV th / α from .ΔT = mV th / α from .i 2 .rR T = mV th / α from .iVR T (3).

Diese Gleichung wird durch das folgende Ausführungsbeispiel veranschaulicht.This equation is illustrated by the following embodiment illustrated.

Es sei angenommen, daß ein erfindungsgemäßer Festkörper­ schalter die folgenden Parameter aufweist:
It is assumed that a solid-state switch according to the invention has the following parameters:

RT = 103°C/W; i = 5 mA
V = 10 Volt; αab = 200 µV/°C (für den Fall eines metal­ lischen Bi-Sb-Thermoelements);
Vth= 3 Volt; m = 1,5;
dann beträgt die erforderlich Anzahl von Thermoelementen:
N = 1,5 × 3/200 × 10-6 × 5 × 10-3 × 10 × 103 = 450.R T = 10 3 ° C / W; i = 5 mA
V = 10 volts; α ab = 200 µV / ° C (in the case of a metallic Bi-Sb thermocouple);
V th = 3 volts; m = 1.5;
then the required number of thermocouples is:
N = 1.5 × 3/200 × 10 -6 × 5 × 10 -3 × 10 × 10 3 = 450.

Demgemäß ist eine Thermosäule erforderlich, die aus 450 in Reihe geschalteten Thermoelementen besteht. Wenn gemäß der Thermoelement-Designregel eine Leitungslänge von 300 µm vor­ liegt, wobei der gegenseitige Abstand und die Leitungsbreite jeweils 10 µm betragen, weist jedes Thermoelement eine Schrittweite von 40 µm auf. Daher beträgt die erforderliche aktive Fläche für die Thermosäule ungefähr:
Accordingly, a thermopile is required which consists of 450 thermocouples connected in series. If, according to the thermocouple design rule, there is a cable length of 300 µm, with the mutual distance and the cable width being 10 µm, each thermocouple has a step size of 40 µm. Therefore, the active area required for the thermopile is approximately:

0,3 × 0,04 × 450 mm2 = 5,4 mm2.0.3 × 0.04 × 450 mm 2 = 5.4 mm 2 .

Wenn der für den Heizwiderstand erforderlich Bond-Kontakt­ fleck und die Randfläche von 0,4 mm2 (für eine Breite von 400 µm und eine Breite von 1000 µm) mitberücksichtigt wer­ den, weist der erfindungsgemäße Festkörperschalter, ohne den MOS-Leistungstransistor, eine Fläche nicht über 6 mm2 auf. Diese Fläche ist kleiner als die eines durch einen photovol­ taischen Generator gesteuerten Schalters, wie oben beschrie­ ben. Ferner kann eine monolithische Gehäusestruktur für den erfindungsgemäßen Schalter durch einen normalen Standard- CMOS-IC-Prozess gemäß der üblichen Siliziumtechnologie rea­ lisiert werden, wodurch geringere Kosten als bei einem durch einen SOI-Prozeß realisierten Gehäuse bestehen, wie er bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Schalter erforderlich ist.If the bond contact spot required for the heating resistor and the edge area of 0.4 mm 2 (for a width of 400 μm and a width of 1000 μm) are also taken into account, the solid-state switch according to the invention, without the MOS power transistor, has a surface not more than 6 mm 2 . This area is smaller than that of a switch controlled by a photovoltaic generator, as described above. Furthermore, a monolithic housing structure for the switch according to the invention can be implemented by a normal standard CMOS IC process in accordance with the customary silicon technology, as a result of which costs are lower than in a housing realized by an SOI process, as is the case in a housing by a photovoltaic generator controlled switch is required.

Beim obigen Ausführungsbeispiel beträgt der Temperaturan­ stieg des Elements:
In the above embodiment, the temperature rise of the element is:

ΔT = P.RT = (5 × 10-3 × 10) × 103 = 50°C.ΔT = PR T = (5 × 10 -3 × 10) × 10 3 = 50 ° C.

Der Temperaturanstieg zuzüglich der Substrattemperatur (Raumtemperatur) ist die Temperatur der Wärmefläche, die un­ ter 100°C liegt, wodurch die thermische Stabilität der Ele­ mente und des Gehäusematerials nicht zerstört wird. Tatsäch­ lich ist der Wert des thermischen Widerstands mit 103°C/W zu niedrig abgeschätzt; durch sorgfältiges Design der Struktur der Wärmefläche kann ohne Schwierigkeit eine Größenordnung höher erzielt werden. Daher kann in der Praxis ein geringe­ rer Temperaturanstieg erreicht werden.The temperature increase plus the substrate temperature (room temperature) is the temperature of the thermal surface, which is below 100 ° C, whereby the thermal stability of the elements and the housing material is not destroyed. In fact, the thermal resistance value of 10 3 ° C / W is underestimated; by carefully designing the structure of the heating surface, an order of magnitude higher can be achieved without difficulty. Therefore, a small temperature rise can be achieved in practice.

Wenn ein Thermoelement mit einem pn-Übergang unter Verwen­ dung von Polysilizium als Material hergestellt wird, kann sein Seebeckkoeffizient αab ungefähr 1-2 mV/°C erreichen, was das Fünffache des Werts eines Bi-Sb-Thermoelements ist. Wenn alle anderen Bedingungen gleich wie beim vorigen Aus­ führungsbeispiel gehalten werden, kann die Anzahl N der Thermoelemente auf unter 90 verringert werden, was bewirkt, daß die so ausgebildeten Elemente eine Größe unter 2 mm2 aufweisen. Wahlweise wird die Anzahl der Thermoelemente auf 450 gehalten, wodurch der erforderliche Temperaturanstieg der Wärmefläche lediglich 10°C beträgt, wodurch auch der Eingangsstrom in die Größenordnung von 1 mA verringert wer­ den kann. Dieser Strom ist viel kleiner als derjenige, der Normalfall bei einem durch einen photovoltaischen Genera­ tor gesteuerten Schalter erforderlich ist, der eine LED ver­ wendet (20 mA).If a pn junction thermocouple is fabricated using polysilicon as the material, its Seebeck coefficient α can reach from about 1-2 mV / ° C, which is five times the value of a Bi-Sb thermocouple. If all other conditions are kept the same as in the previous exemplary embodiment, the number N of thermocouples can be reduced to less than 90, which causes the elements thus formed to have a size of less than 2 mm 2 . Optionally, the number of thermocouples is kept at 450, which means that the required temperature rise of the heating surface is only 10 ° C, which also reduces the input current in the order of 1 mA. This current is much smaller than that which is normally required for a switch controlled by a photovoltaic generator that uses an LED (20 mA).

Hinsichtlich der Herstellung eines erfindungsgemäßen Fest­ körperschalters kann der Dünnfilm-Heizwiderstand aus einem beliebigen wärmebeständigen Material mit Ti, W oder einem Aluminiummaterial mit niedrigem Widerstand oder einem Poly­ siliziummaterial mit hohem Widerstand bestehen, das auch die Thermosäule bildet, was in einem Prozeß erfolgen kann. Alle diese Materialien werden in üblicher Weise zum Herstellen verschiedener mikroelektronischer Halbleiterelemente derzeit verwendet, so daß sie mit IC-Standardprozessen vollständig verträglich sind. Betreffend das Thermoelement ist, abgese­ hen von einem "Halbmetall" wie Bi, Te und Sb, die als Mate­ rial einer herkömmlichen Thermosäule verwendet werden, Poly­ silizium ein anderes wählbares Material, das zum Herstellen der Thermosäule verwendet werden kann. Genauer gesagt, kann Polysilizium dazu verwendet werden, ein Halbleiterbauteil mit pn-Übergang auszubilden, das ein Thermoelement dar­ stellt. Ein Thermoelement aus Polysilizium weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß die Empfindlichkeit der thermo­ elektrischen Leistung bis zu 1 mV/°C beträgt, wobei voll­ ständige Verträglichkeit mit einem IC-Standardherstellprozeß besteht. Diese Techniken sind wohlbekannt und befinden sich in allgemeinem Gebrauch, wie es z. B. im einzelnen im Buch "Silicon Sensors" von S. Middelhoek und S. A. Audet be­ schrieben ist, wobei ein Verfahren zum Herstellen eines Wär­ mestrahlungs-Mikrosensors erläutert ist. Daher existiert keine praktische Schwierigkeit beim Herstellen eines erfin­ dungsgemäßen Festkörperschalters.With regard to the production of a festival according to the invention body switch, the thin film heating resistor can be made from one any heat-resistant material with Ti, W or a Low resistance aluminum material or a poly silicon material with high resistance, which also Thermopile forms what can be done in one process. All these materials are used in the usual way to manufacture various microelectronic semiconductor elements currently  used so that they are complete with standard IC processes are tolerated. Regarding the thermocouple, read hen of a "semi-metal" like Bi, Te and Sb, which as a mate rial of a conventional thermopile, poly silicon another selectable material that is used to manufacture the thermopile can be used. More specifically, can Polysilicon can be used to make a semiconductor device with a pn junction, which is a thermocouple poses. A polysilicon thermocouple points over it furthermore the advantage that the sensitivity of the thermo electrical power is up to 1 mV / ° C, being full constant compatibility with an IC standard manufacturing process consists. These techniques are well known and are well known is in general use, as z. B. in detail in Book "Silicon Sensors" by S. Middelhoek and S. A. Audet be is written, wherein a method for producing a heat Measurement radiation microsensor is explained. Therefore exists no practical difficulty in making an invent solid state switch according to the invention.

Kurz gesagt, besteht bei einem erfindungsgemäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörper­ schalter nicht nur der Vorteil, daß die Transimpedanz sehr hoch ist, wie bei einem durch einen photovoltaischen Genera­ tor gesteuerten Festkörperschalter, sondern es bestehen auch die Vorteile, daß die Chipfläche kleiner ist, der Herstellprozeß einfacher ist und das Gehäuse durch eine billige, planare DIP(dual-in-line)-Standardstruktur (wie in Fig. 3B dargestellt) oder eine ähnliche Struktur realisiert werden kann, da die Steuerungs- und passiven Elemente alle auf der­ selben Ebene eines Siliziumchips, d. h. als monolithisches Bauteil, ausgebildet sind.In short, there is not only the advantage in a solid-state switch controlled by a thermovoltaic generator according to the invention that the transimpedance is very high, as in a solid-state switch controlled by a photovoltaic generator, but there are also the advantages that the chip area is smaller , the manufacturing process is simpler and the package can be realized by a cheap, planar DIP (dual-in-line) standard structure (as shown in Fig. 3B) or a similar structure, since the control and passive elements are all on the same Level of a silicon chip, that is, formed as a monolithic component.

Wie oben beschrieben, reicht es zum Erhöhen der Empfindlich­ keit der Thermosäule aus, eine Wärmefläche mit guter Wärme­ isolierung in einem örtlichen Bereich des Substrats auszu­ bilden, auf der die heißen Übergänge des Thermoelements und der Heizwiderstand angeordnet werden. Die Wärmefläche des erfindungsgemäßen Festkörperschalters kann hauptsächlich durch die folgenden zwei Strukturen realisiert werden: bei der einen handelt es sich um eine Struktur mit aufgehängter Membran, während es sich bei der anderen um eine solche mit nicht aufgehängter Membran handelt. Die erste Struktur wird dadurch realisiert, daß eine örtlich aufgehängte Silizium­ membran oder eine Glasmembran auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wird, auf der der Wärmewiderstand und die heißen Übergänge hergestellt werden. Eine derartige Struktur zeigt hervorragende Wärmewiderstandseigenschaften; z. B. kann bei normalem Atmosphärendruck im Fall des obengenannten Ausfüh­ rungsbeispiels mit einer Chipfläche von 4,5 mm2 die thermi­ sche Impedanz bis zu 104°C/W betragen. Ferner kann die ther­ mische Impedanz bis zu 105°C/W betragen, wenn ein evakuier­ tes Gehäuse dazu verwendet wird, die Wärmeleitung durch Um­ gebungsgas zu behindern. Die zweite Struktur wird dadurch realisiert, daß eine Oxidkissenschicht mit guter Wärmeiso­ lierung auf dem Siliziumsubstrat unmittelbar angrenzend an dieses ausgebildet wird. Obwohl die zweite Struktur kleine­ ren thermischen Widerstand als die erste aufweist, beträgt der thermische Widerstand mindestens 100°C/W. Im Vergleich mit der ersten Struktur benötigt die zweite Struktur eine hohe Verdichtung der Elementdichte, jedoch sind sowohl die Herstellung als auch die Gehäuseausbildung einfacher.As described above, it is sufficient to increase the sensitivity of the thermopile to form a thermal surface with good thermal insulation in a local area of the substrate on which the hot junctions of the thermocouple and the heating resistor are arranged. The thermal surface of the solid-state switch according to the invention can be realized mainly by the following two structures: one is a structure with a suspended membrane, while the other is one with a non-suspended membrane. The first structure is realized in that a locally suspended silicon membrane or a glass membrane is formed on a silicon substrate on which the thermal resistance and the hot transitions are produced. Such a structure shows excellent thermal resistance properties; e.g. B. at normal atmospheric pressure in the case of the above-mentioned embodiment with a chip area of 4.5 mm 2, the thermal impedance can be up to 10 4 ° C / W. Furthermore, the thermal impedance can be up to 10 5 ° C / W when an evacuated housing is used to hinder the heat conduction by ambient gas. The second structure is realized in that an oxide cushion layer with good heat insulation is formed on the silicon substrate immediately adjacent to it. Although the second structure has smaller thermal resistance than the first, the thermal resistance is at least 100 ° C / W. Compared to the first structure, the second structure requires a high compression of the element density, but both the manufacture and the housing design are simpler.

Es existieren verschiedene Verfahren zum Herstellen der Struktur mit aufgehängter Membran, von denen eines in Fig. 6 dargestellt ist. Dieses wird dadurch realisiert:, daß der untere Teil des Siliziumsubstrats unter Verwendung der Tech­ nik des anisotropen Rückseitenätzens (Prozeß mit verlorenem Wafer) entfernt wird. Typischerweise hat der nicht entfernte Teil die Struktur einer stark mit Bor dotierten (< 5 × 1019) Siliziummembran mit einer darauf befindlichen Isolierschicht aus Siliziumdioxid, oder mit einer spannungsfreien Membran aus Siliziumnitrid, wie es in einer Veröffentlichung (A me­ thod of fabricating a thin, and low-stress dielectric film for microsensors applications, Proceeding of Eurosensors X, S. 287-290, 8.-11. September 1996, Belgien, vom Erfinder al.)) und einem Patent (Taiwan-Anmeldung Nr. 85109746) beschrieben ist, die von der Rechtsnachfolgerin in der vor­ liegenden Anmeldung veröffentlicht sind. Ferner existieren viele Mikrobearbeitungstechniken zum Herstellen einer aufge­ hängten Membran, von denen es jede auf einfache Weise ermög­ licht, die Wärmefläche herzustellen, wie sie bei der Erfin­ dung erforderlich ist. Diese Mikrobearbeitungstechniken sind dem Fachmann wohlbekannt, weswegen hier Einzelheiten wegge­ lassen werden.There are various methods of making the suspended membrane structure, one of which is shown in FIG. 6. This is accomplished by: removing the lower portion of the silicon substrate using the technique of anisotropic backside etching (lost wafer process). Typically, the non-removed part has the structure of a heavily doped with boron (<5 × 10 19 ) silicon membrane with an insulating layer of silicon dioxide thereon, or with a stress-free membrane made of silicon nitride, as described in a publication (A method of fabricating a thin , and low-stress dielectric film for microsensors applications, Proceeding of Eurosensors X, pp. 287-290, September 8-11, 1996, Belgium, by the inventor al.)) and a patent (Taiwan application No. 85109746) which are published by the legal successor in the present application. Furthermore, there are many micromachining techniques for manufacturing a suspended membrane, each of which makes it possible to easily produce the thermal surface as required in the invention. These micromachining techniques are well known to those skilled in the art, so details are omitted here.

Fig. 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Struktur mit nicht aufgehängter Wärmefläche, bei der eine Schicht aus porösem Silizium (Bereich p in Fig. 7) mit einer Dicke von einigen 10 Mikrometern unter Verwendung eines herkömmlichen Elektro­ ätzverfahrens auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet wird. Diese poröse Siliziumschicht, die durch eine allgemein be­ kannte Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wer­ den kann - p-Halbleiter-Einkristall mit einer Konzentration über 1016/cm3 - wird einem Elektroätzvorgang in einer Fluor­ wasserstoffsäure-Lösung unterzogen, wobei auf der künstli­ chen Schicht eine Struktur in Form von Regenwurm-Gängen er­ zeugt wird, mit der Eigenschaft niedriger Wärmeleitung und hoher Oxidationsgeschwindigkeit, vergleichbar denjenigen von Siliziumdioxid. Nachdem die Schicht aus porösem Silizium hergestellt wurde, wird darauf eine örtliche und schnelle Oxidation ausgeführt, um eine Glasschicht mit einigen Mikro­ metern zu erzeugen, so daß eine örtliche Wärmefläche ausge­ bildet ist, die thermisch und elektrisch gegen das darunter­ liegende Substrat aus porösem Silizium isoliert ist, um den Bereich T in Fig. 5A auszubilden, auf dem der Heizwiderstand und die Thermosäule hergestellt werden. Fig. 7 shows an example illustrating a structure with non-suspended heating surface, wherein a layer of porous silicon (range P in Fig. 7) is formed with a thickness of several 10 microns using a conventional electric etching process on the silicon substrate. This porous silicon layer, which can be produced by a generally known semiconductor micromachining technology - the p-semiconductor single crystal with a concentration above 10 16 / cm 3 - is subjected to an electrical etching process in a hydrofluoric acid solution, on the artificial layer a structure in the form of earthworm corridors is produced, with the property of low heat conduction and high oxidation rate, comparable to that of silicon dioxide. After the layer is made of porous silicon, local and rapid oxidation is then carried out to produce a glass layer with a few micrometers, so that a local heat surface is formed, which is thermally and electrically insulated from the underlying substrate made of porous silicon to form the area T in FIG. 5A on which the heating resistor and the thermopile are manufactured.

Wahlweise kann, bevor der Wärmewiderstand und die Thermosäu­ le auf der nicht aufgehängten Wärmefläche hergestellt wer­ den, Polyimid, das wärmebeständig ist, durch eine Standard- Lithographietechnik mit einigen Mikrometern auf die Wärme­ fläche aufgetragen werden, woraufhin der Wärmewiderstand und die heißen Übergänge der Thermosäule auf der Polyimidschicht hergestellt werden. Da die Wärmeleitfähigkeit von Polyimid 1/5 derjenigen von reinem Siliziumdioxid ist und auch 1/600 derjenigen von Silizium, ist der Wärmeisolierungseffekt wei­ ter verbessert, und die Herstellung ist einfacher. Jedoch müssen die folgenden Prozesse unter Verwendung chemischer Dampfabscheidung bei niedriger Temperatur (LTCVD) bei einer Temperatur unter 400°C ausgeführt werden, was mit derzeiti­ gen Techniken möglich ist.Optionally, before the thermal resistance and the thermal acid le produced on the non-suspended heating surface the, polyimide, which is heat resistant, by a standard Lithography technology with a few micrometers on the heat surface are applied, whereupon the thermal resistance and the hot transitions of the thermopile on the polyimide layer getting produced. Because the thermal conductivity of polyimide 1/5 is that of pure silicon dioxide and also 1/600 that of silicon, the thermal insulation effect is white ter improved, and the manufacture is easier. However must use the following processes using chemical Low temperature vapor deposition (LTCVD) at a Temperature below 400 ° C to run, what with currently techniques is possible.

Die Fig. 8A und 8B veranschaulichen zwei Gehäuseherstel­ lungsverfahren für die Struktur mit aufgehängter Wärmeflä­ che, wobei Fig. 8A die Struktur ergibt, wie sie sich bei einer Standard-TO-Metallbecher-Gehäusetechnik ergibt, wäh­ rend Fig. 8B die Struktur veranschaulicht, wie sie sich un­ ter Verwendung der Standard-DIP-Gehäusetechnik ergibt. Wenn die in Fig. 8A dargestellte Struktur ein evakuiertes Gehäuse (< 10-2 Torr; 1 Torr = 1,33 hPa) verwendet, um die Wärmever­ luste durch Gas zu verringern, kann ein noch höherer Wärme­ wirkungsgrad erzielt werden. Hierzu wird auf die Veröffent­ lichung "High performance Pirani vacuum gauge", Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 13, No. 6, Dezember 1995, veröffentlicht von der Rechtsnachfolgerin in der vor­ liegenden Erfindung, hingewiesen. Hinsichtlich der in Fig. 8B dargestellten Struktur wird zum Verringern von Wärmelei­ tung aufgrund der Oberkante des Elements, die mit dem Gehäu­ sematerial in Kontakt steht, eine Waferbondtechnik am Ele­ ment selbst in solcher Weise verwendet, daß vorab ein abge­ dichteter Hohlraum hergestellt wird, wodurch die aufgehängte Membran vom Kleber getrennt werden kann, also mit ihm nicht in Kontakt tritt, wie dies bei C in Fig. 8B dargestellt ist. Obwohl dieses Verfahren kompliziert ist, hat es den Vorteil, daß eine Struktur mit vakuumdichtem Hohlraum durch eine Waferbondtechnik erzielt werden kann, was zu hohem Wärmewi­ derstand führt, da keine Wärmeverluste durch Gas bestehen. FIGS. 8A and 8B illustrate two Gehäuseherstel averaging method for the structure with suspended Wärmeflä che, in which Fig. 8A resulting in the structure as reflected-TO-metal cup-housing technology standard results in one currency rend Fig. 8B, the structure illustrated as it results from the use of standard DIP housing technology. If the structure shown in Fig. 8A uses an evacuated housing (<10 -2 Torr; 1 Torr = 1.33 hPa) to reduce the heat losses through gas, an even higher thermal efficiency can be achieved. For this purpose, the publication "High performance Pirani vacuum gauge", Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 13, No. December 6, 1995, published by the assignee in the present invention. Regarding the structure shown in Fig. 8B, a wafer bonding technique on the element itself is used to reduce heat conduction due to the top edge of the element in contact with the housing material so that a sealed cavity is made in advance, thereby the suspended membrane can be separated from the adhesive, ie does not come into contact with it, as is shown at C in FIG. 8B. Although this method is complicated, it has the advantage that a structure with a vacuum-tight cavity can be achieved by a wafer bonding technique, which leads to high thermal resistance since there is no heat loss through gas.

Ferner zeigt Fig. 9 ein Gehäuse eines Festkörperschalters mit nicht aufgehängter Wärmefläche. Die Struktur unterschei­ det sich von der eines herkömmlichen DIP-Gehäuses dahinge­ hend, daß nach den Schritten des Druckbondens und des Drahtbondens sowie vor dem Schritt des Spritzgießens von Epoxid die Chips mit einer dicken Schicht aus Siliconkau­ tschuk, bedeckt werden, der hervorragende Wärmeisolierung aufweist, um Wärmeableitung von der Wärmefläche zu unterbin­ den. Die Wärmeleitfähigkeit von bei elektronischen Anwendun­ gen verwendetem Siliconkautschuk ist sehr klein, mit unge­ fähr 1/2400 derjenigen eines Siliziumchips und ungefähr auch 1/10 derjenigen von spritzgegossenem Epoxid bei einem IC- Gehäuse. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit schützt die Thermo­ säule vor Wärmeverlusten an den heißen Übergängen, während sie aktiviert wird. Demgemäß existiert eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen den kalten und den heißen Über­ gängen.Further, Fig. 9 shows a case of a solid state switch with non-suspended heating surface. The structure differs from that of a conventional DIP package in that after the pressure and wire bonding steps and before the epoxy injection molding step, the chips are covered with a thick layer of silicone rubber with excellent thermal insulation. to prevent heat dissipation from the heat surface. The thermal conductivity of silicone rubber used in electronic applications is very small, approximately 1/2400 that of a silicon chip and approximately 1/10 that of injection molded epoxy in an IC package. The low thermal conductivity protects the thermopile against heat loss at the hot junctions while it is activated. Accordingly, there is a sufficient temperature difference between the cold and hot transitions.

Die obengenannten Verfahren können alle durch IC-Gehäuseher­ stellungs-Standardtechniken realisiert werden, so daß es leicht ist, automatische Massenherstellung und niedrige Kos­ ten zu erzielen.The above methods can all be done by IC packages position standard techniques can be realized so that it is light, automatic mass production and low cost to achieve.

Im Vergleich mit der Gehäusestruktur eines durch einen pho­ tovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalters, wie Fig. 3A dargestellt, ist die Gehäusestruktur viel einfa­ cher, was ein anderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Fest­ körperschalters ist.In comparison with the housing structure of a solid-state switch controlled by a photovoltaic generator, as shown in FIG. 3A, the housing structure is much simpler, which is another advantage of a solid-state switch according to the invention.

Zusammengefaßt gesagt, weist ein monolithischer, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerter Festkörper­ schalter, der ein MOS-Schaltbauteil ansteuert, nicht nur ho­ he Transimpedanz wie ein herkömmlicher mechanischer Schalter oder ein solcher mit photovoltaischem Generator auf, sondern es besteht auch der Vorteil, daß der Herstellprozeß als Mikroelektronik-Standardprozeß realisiert werden kann. Da­ her besteht Eignung zur Chargenherstellung, die erforderli­ che Chipfläche für das Element ist klein, das Gehäuse kann mit Standard-DIP oder TO-Metallbecher-Struktur realisiert werden, und die Kosten können stark verringert werden. Fer­ ner ist die steuernde elektrische Leistung am Eingang klei­ ner als bei einem herkömmlichen Element, und der Widerstand des Heizwiderstands kann so konzipiert werden, daß Anpas­ sung an verschiedene Eingangsströme oder -spannungen be­ steht. Folglich verfügt der erfindungsgemäße Festkörper­ schalter über hohen schöpferischen und praktischen Wert.In summary, a monolithic, has a solid state controlled by a thermovoltaic generator switch that controls a MOS switching component, not just ho he transimpedance like a conventional mechanical switch or one with a photovoltaic generator, but there is also the advantage that the manufacturing process as Microelectronic standard process can be realized. There There is suitability for batch production, which requires che chip area for the element is small, the housing can realized with standard DIP or TO metal cup structure and the cost can be greatly reduced. Fer The controlling electrical power at the entrance is smaller ner than a conventional element, and the resistance of the heating resistor can be designed so that adapt solution to different input currents or voltages stands. Consequently, the solid body according to the invention switch over high creative and practical value.

Bei der Erfindung bestehen die folgenden Vorteile:
The advantages of the invention are as follows:

  • (1) das thermoelektrische Element ist thermisch zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet, so daß vollständige elektrische Isolierung, anders gesagt, sehr hohe Transimpe­ danz, besteht, weswegen eine kleine Eingangsspannung dazu verwendet werden kann, einen MOSFET mit sehr hoher Ausgangs­ spannung und Leistung zu steuern;(1) the thermoelectric element is thermal between the Input and output switched so that complete electrical insulation, in other words, very high transimp danz, which is why a small input voltage to it can be used a very high output MOSFET control voltage and power;
  • (2) der Festkörperschalter ist aufgrund der Mikrobearbeitung eine monolithische Struktur, weswegen er chargenweise er­ zeugt werden kann, was viel besser als die Herstellung von Einzeleinheiten wie bei einem herkömmlichen mechanischen Schalter ist;(2) the solid state switch is due to the micromachining a monolithic structure, which is why he batch can be produced, which is much better than the production of Single units like a conventional mechanical one Switch is;
  • (3) wenn sich ein erfindungsgemäßer Festkörperschalter im ein- oder ausgeschalteten Zustand befindet, ist es nicht er­ forderlich, eine Ladungsausleckschaltung zu verwenden, wie sie bei einem derzeitigen MOS-Festkörperschalter mit photo­ elektrischer Steuerung erforderlich ist, weswegen die Chip­ fläche verringert werden kann;(3) if a solid-state switch according to the invention in is on or off, it is not him  required to use a charge leakage circuit, such as with a current MOS solid-state switch with photo electrical control is required, which is why the chip area can be reduced;
  • (4) das Eingangssignal für einen erfindungsgemäßen Festkör­ perschalter, wie es zum Ansteuern des Heizwiderstands dient, kann wahlfrei als hohe oder niedrige Eingangsspannung konzi­ piert werden, was vom Fall bei einem Schalter mit photoelek­ trischer Kopplung abweicht, der eine festgelegte Eingangs­ spannung aufweist, damit eine Lichtemissionsdiode angesteu­ ert werden kann;(4) the input signal for a solid according to the invention switch, as it is used to control the heating resistor, can optionally be concentrated as high or low input voltage be piert what the case with a switch with photoelek tric coupling that deviates from a fixed input has voltage so that a light emitting diode is driven can be learned;
  • (5) das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Festkörperschalters kann eine herkömmliche Struktur, wie DIP (dual-in-line), aufweisen, weswegen die Struktur einfacher ist und die Kos­ ten niedriger sind als bei einem herkömmlichen Schalter mit Lichtkopplung, dessen Gehäuse dreidimensional ist.(5) the housing of a solid-state switch according to the invention can be a conventional structure such as DIP (dual-in-line), have, which is why the structure is simpler and the Kos ten lower than with a conventional switch Light coupling, the housing of which is three-dimensional.

Claims (14)

1. Festkörperschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er durch einen thermovoltaischen Generator gesteuert wird und folgendes aufweist:
  • - ein Siliziumsubstrat (S);
  • - einen MOSFET, dessen Gate ein Signal empfängt, um eine Ausgangslast zu steuern;
  • - eine Wärmefläche (N), die in einem örtlichen Bereich des Siliziumsubstrats durch eine Mikrobearbeitungstechnik ange­ ordnet wurde, um thermische Isolierung zu erzielen;
  • - einen Dünnfilm-Heizwiderstand (r), der auf der Wärmeflä­ che angeordnet ist und den Eingang des Schalters bildet;
  • - eine Thermosäule mit einer Anzahl von Dünnfilm-Thermoele­ menten in Reihenverbindung aus einem Halbleiter mit pn-Über­ gang, wobei die heißen Übergänge (h) dieser Thermoelemente auf der Wärmefläche angeordnet sind und an den Dünnfilm- Heizwiderstand anschließen, wobei zwischen ihnen ausreichen­ de Durchschlagsfestigkeit besteht, und wobei die kalten Übergänge (c) der Thermoelemente, deren Temperatur mit der des Substrats übereinstimmt, in einem Substratbereich ent­ fernt von der Wärmefläche angeordnet sind, wobei der Ausgang der Thermosäule den Eingang des MOSFET bildet;
  • - eine Eingangsspannung, die an den Dünnfilm-Heizwiderstand angelegt wird, wodurch in diesem Joulesche Wärme erzeugt wird, so daß zwischen den heißen Übergängen und den kalten Übergängen der Thermosäule aufgrund ungleichmäßiger Wärme­ verteilung eine geeignete Temperaturdifferenz auftritt, die Ausgang der Thermosäule ein thermoelektrisches Potential zum Einschalten des MOSFET erzeugt; wobei dann, wenn die Eingangsspannung weggenommen wird, die Temperaturen der hei­ ßen und kalten Übergänge aufgrund der Herstellung des ther­ mischen Gleichgewichts gleich werden, so daß das am Ausgang der Thermosäule auftretende thermoelektrische Potential Null wird, wodurch der MOSFET ausgeschaltet wird.
1. Solid-state switch, characterized in that it is controlled by a thermovoltaic generator and has the following:
  • - a silicon substrate (S);
  • a MOSFET whose gate receives a signal to control an output load;
  • - A thermal surface (N), which has been arranged in a local area of the silicon substrate by a micromachining technique to achieve thermal insulation;
  • - A thin film heating resistor (r) which is arranged on the heating surface and forms the input of the switch;
  • - A thermopile with a number of thin-film thermocouples in series from a semiconductor with pn junction, the hot transitions (h) of these thermocouples are arranged on the heating surface and connect to the thin-film heating resistor, with sufficient dielectric strength between them and the cold transitions (c) of the thermocouples, the temperature of which corresponds to that of the substrate, are arranged in a substrate region away from the heat surface, the output of the thermopile forming the input of the MOSFET;
  • - An input voltage, which is applied to the thin-film heating resistor, whereby heat is generated in this Joule, so that a suitable temperature difference occurs between the hot transitions and the cold transitions of the thermopile due to uneven heat distribution, the output of the thermopile has a thermoelectric potential Turning on the MOSFET generated; where, when the input voltage is removed, the temperatures of the hot and cold transitions become equal due to the establishment of the thermal equilibrium, so that the thermoelectric potential occurring at the output of the thermopile becomes zero, whereby the MOSFET is switched off.
2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizwiderstand (r) und die Thermosäule unter Verwendung eines Mikroelektronik-Standardprozesses als einzelnes Chipelement hergestellt werden, wobei zwischen dem Heizwiderstand und der Thermosäule vollständige elektrische Isolierung und sehr hohe Transimpedanz bestehen, wodurch dem Eingang eine kleine Leistung zugeführt werden kann, um die hohe Spannung und die hohe Leistung am Ausgang des MOSFET zu steuern.2. Solid-state switch according to claim 1, characterized records that the heating resistor (r) and the thermopile using a standard microelectronic process as single chip element are made, with between Heating resistor and the thermopile complete electrical Isolation and very high transimpedance exist, which means that A small power can be supplied to the input high voltage and the high power at the output of the MOSFET too Taxes. 3. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement der Thermosäule ein pn-Übergang in Polysilizium mit hervorragen­ dem Seebeckeffekt ist, und ein Mikroelektronikprozeß dazu verwendet wird, mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente auf dem Siliziumsubstrat (S) herzustellen, so daß die Ther­ mosäule ein Potential erzeugen kann, das den MOSFET ein­ schaltet.3. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that each thermocouple of Thermopile with a pn junction in polysilicon the Seebeck effect, and a microelectronic process to do so is used, several thermocouples connected in series to produce on the silicon substrate (S), so that the Ther can generate a potential that the MOSFET switches. 4. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement der Thermosäule aus herkömmlichen Halbmetallen, z. B. Te und Bi, besteht und ein Mikroelektronikprozeß dazu verwendet wird, die mehreren in Reihe geschalteten Thermoelemente auf dem Siliziumsubstrat (S) herzustellen, so daß die Thermosäule Potential erzeugen kann, das den MOSFET einschaltet.4. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that each thermocouple of Thermopile made of conventional semi-metals, e.g. B. Te and Bi, exists and a microelectronic process is used to the several thermocouples connected in series on the Manufacture silicon substrate (S) so that the thermopile Can generate potential that turns on the MOSFET. 5. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefläche (M), wie sie unter Verwendung verschiedener bekannter Mikrobearbei­ tungstechniken herstellbar ist, eine aufgehängte Membran aus Silizium oder Siliziumnitrid auf dem Siliziumsubstrat ist, wobei hervorragende thermische Isolierung besteht und wobei der Heizwiderstand (r) und die heißen Übergänge (h) der Thermosäule auf der aufgehängten Membran ausgebildet sind, während die kalten Übergänge (c) auf dem nicht aufgehängten Teil des Siliziumsubstrats ausgebildet sind.5. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the heat surface (M), such as using various known microprocessors tion techniques can be produced, a suspended membrane Is silicon or silicon nitride on the silicon substrate, with excellent thermal insulation and where the heating resistor (r) and the hot transitions (h) of the  Thermopile are formed on the suspended membrane, while the cold transitions (c) on the not hung Part of the silicon substrate are formed. 6. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefläche (M) da­ durch hergestellt wird, daß zunächst eine Struktur aus po­ rösem Silizium mit einer Dicke von einigen 10 Mikrometern in einem örtlichen Bereich des Siliziumsubstrats (S) herge­ stellt wird, dann örtliche Oxidation in diesem Bereich aus­ geführt wird, so daß Siliziumdioxid mit einer Dicke mehre­ rer Mikrometer auf der Oberfläche des porösen Siliziums aus­ gebildet wird, wodurch eine aufgehängte Membran mit hervor­ ragender elektrischer und thermischer Isolierung zwischen Heizwiderstand und dem porösen Silizium sowie der Ther­ mosäule und dem porösen Silizium erzeugt wird.6. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the heat surface (M) there is produced by first creating a structure of po red silicon with a thickness of some 10 micrometers in a local area of the silicon substrate (S) then local oxidation in that area is performed so that silicon dioxide with a thickness increase micrometer on the surface of the porous silicon is formed, resulting in a suspended membrane excellent electrical and thermal insulation between Heating resistor and the porous silicon as well as the Ther is generated and the porous silicon. 7. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem her­ kömmlichen TO-Metallbecher besteht, wodurch Preßbonden und Drahtbonden ausführbar sind.7. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the housing from one conventional TO metal cup, which makes press bonding and Wire bonding can be carried out. 8. Festkörperschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch Ausführen von Pressbond- und Drahtbond-Standardvorgängen an einem Stan­ dard-IC-Leiterrahmen, durch Bedecken des Schalters mit einer dicken Siliconschicht mit hervorragender Wärmeisolierung und anschließendem Herstellen eines IC-Moduls durch ein Stan­ dard-DIP(dual-in-line)-Epoxidgehäuse realisiert wird, so daß eine Chargenerzeugung mit niedrigen Kosten erzielt wird. 8. solid-state switch according to one of claims 1 to 6, characterized in that the housing by executing Standard press bond and wire bond processes on one stand dard IC lead frame, by covering the switch with a thick silicone layer with excellent thermal insulation and then manufacturing an IC module by a Stan dard-DIP (dual-in-line) epoxy housing is realized, so that batch production is achieved at low cost becomes.   9. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der innere Hohlraum der TO-Metallbecher-Ge­ häusestruktur evakuiert wird, um einen Zustand mit ungefähr 10-3 Torr (1 Torr = 1,33 hPa) oder mit niedrigerem Luftdruck unter Abdichtung zu erzielen, wodurch Wärmeverluste durch Gas verringert sind, was die Temperaturdifferenz zwischen den kalten (c) und den heißen (h) Übergängen erhöht, wodurch der Aktivierungswirkungsgrad erhöht ist.9. Solid-state switch according to claim 7, characterized in that the inner cavity of the TO metal cup-Ge housing structure is evacuated to a state with approximately 10 -3 Torr (1 Torr = 1.33 hPa) or with a lower air pressure under sealing achieve, whereby heat losses through gas are reduced, which increases the temperature difference between the cold (c) and the hot (h) transitions, thereby increasing the activation efficiency. 10. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm-Heizwider­ stand (r), die Wärmefläche (M), die Thermosäule und der Leistungs-MOSFET alle auf einem Siliziumchip integriert sind, wo daß ein monolithisches, integriertes Element vor­ liegt.10. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the thin film heating resistor stood (r), the thermal surface (M), the thermopile and the Power MOSFET all integrated on a silicon chip are where that a monolithic, integrated element before lies. 11. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm-Heizwider­ stand (r), die Wärmefläche (M) und die Thermosäule auf einem Siliziumchip integriert sind, während der Leistungs-MOSFET auf einem anderen Siliziumchip ausgebildet ist, wobei die zwei Siliziumchips in Form eines Moduls mit zwei Chips in ein Gehäuse eingeschlossen sind.11. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the thin film heating resistor stood (r), the heating surface (M) and the thermopile on one Silicon chips are integrated while the power MOSFET is formed on another silicon chip, the two silicon chips in the form of a module with two chips in a housing are enclosed. 12. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteilchip dadurch realisiert wird, daß vor der Herstellung des Chipgehäuses ein evakuierter Mikrohohlraum unter Verwendung einer Wafer­ bondtechnik ausgebildet wird.12. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the component chip thereby is realized that before the manufacture of the chip housing an evacuated microvoid using a wafer bond technology is trained. 13. Festkörperschalter nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Struktur mit evakuiertem Mikrohohlraum unter Verwendung einer Waferbondtechnik im Vakuum erzielt wird, wodurch die Wärmeverluste von Gas verringert sind und die Temperaturdifferenz zwischen den heißen (h) und den kal­ ten (c) Übergängen der Thermosäule erhöht ist, was den Schaltwirkungsgrad verbessert.13. Solid-state switch according to claim 12, characterized records that the structure with evacuated micro-cavity achieved using a wafer bonding technique in a vacuum which reduces the heat losses from gas and the temperature difference between the hot (h) and the cal  ten (c) transitions of the thermopile is increased, which the Switching efficiency improved. 14. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal am Heizwiderstand (r) ein Gleich- oder ein Wechselspannungssi­ gnal von hoher oder niedriger Spannung ist, abhängig vom ge­ eigneten Wert des Heizwiderstands.14. Solid-state switch according to one of the preceding claims che, characterized in that the input signal on Heating resistor (r) a DC or an AC voltage si signal of high or low voltage is dependent on the ge suitable value of the heating resistor.
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